DE2258094B1 - Method and device for the photometric determination of the extinction of a sample - Google Patents

Method and device for the photometric determination of the extinction of a sample

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Description

kleinen Betrag geändert wird, daß der Gleichstromanteil des resultierenden Meßsignals und sein Wechselstromanteil der Frequenz ω abgetrennt werden und daß der Quotient aus diesen abgetrennten Signalanteilen gebildet und angezeigt wird.is changed small amount that the direct current component of the resulting measurement signal and its alternating current component of the frequency ω are separated and that the quotient is formed from these separated signal components and displayed.

Die Division des Wechselstromsignals durch das Gleichstromsignal erfolgt zweckmäßig in einem an sich bekannten Quotientenrechner. Ein solcher Rechner kann beispielsweise in der Weise arbeiten, daß das Gleichstromsignal stets auf den gleichen konstanten Wert nachgeregelt wird, wobei der Verstärkungsgrad des Wechselstromverstärkers in der Weise mitgeregelt wird, daß ein mit dem resultierenden Wechselstromsignal gespeistes Meßinstrument unmittelbar die Extinktion anzeigt. Der hierfür notwendige Aufwand ist bedeutend kleiner als der Aufwand für einen Transmissions-Konzentrationsrechner.The division of the alternating current signal by the direct current signal is expediently carried out in an an known quotient calculator. Such a computer can work, for example, in such a way that the direct current signal is always readjusted to the same constant value, with the gain of the AC amplifier is controlled in such a way that one with the resulting The measuring instrument fed by an alternating current signal shows the absorbance immediately. The one necessary for this The effort is significantly less than the effort for a transmission concentration calculator.

Es ist besonders vorteilhaft, die Änderung der Weglänge der die Probe durchsetzenden Strahlung durch periodische Änderung der Schichtdicke der Probe zu bewirken.It is particularly advantageous to change the path length of the radiation penetrating the sample by periodically changing the layer thickness of the sample.

Wird die Schichtdicke periodisch moduliert, so kann neben einem EmpfängerstromIf the layer thickness is modulated periodically, then a receiver current can be used

welcher der mittleren Schichtdicke s der Probe entspricht (m = der Extinktion proportionale Konstante), auch die Abteilung des Empfängerstromes nach der Weglängewhich corresponds to the mean layer thickness s of the sample (m = constant proportional to the extinction), also the division of the receiver current according to the path length

= —m -J0-Q-BiS= —m-J = -M -J 0 -Q-BiS = -mJ

dsds

gemessen werden. Der Empfängerstrom / stellt einen Gleichstromanteil dar, während die Größe -τ— einbe measured. The receiver current / represents a direct current component, while the quantity -τ- represents a

Wechselstromanteil ist, dessen Frequenz der Frequenz der Schichtdickenmodulation entspricht.Is an alternating current component, the frequency of which corresponds to the frequency of the layer thickness modulation.

Teilt man den Wechselstromanteil des Signals durch den Gleichstromanteil, so ergibt sichIf you divide the alternating current component of the signal by the direct current component, the result is

dJ_ dsdJ_ ds

d. h. eine Größe, die direkt der gesuchten Extinktion proportional ist.d. H. a quantity that is directly proportional to the extinction sought.

Bei einer sinusförmigen Modulation der Schichtdicke s mit der Frequenz ω ist zwar der Wechselanteil des Signals nur näherungsweise der Ableitung dJ/ds proportional. Wird jedoch die Schichtdickenänderung Δs so begrenzt, daß \m-As\ <C0,25 ist, d.h., läßt man eine maximale Transmissionsänderung von ±20% zu, so bleibt die maximale Linearitätsabweichung unter 1 %.In the case of a sinusoidal modulation of the layer thickness s with the frequency ω , the alternating component of the signal is only approximately proportional to the derivative dJ / ds. However, if the change in layer thickness Δs is limited so that \ m-As \ <C0.25, ie if a maximum change in transmission of ± 20% is allowed, the maximum linearity deviation remains below 1%.

Wird die Schichtdicke statt mit einer Sinusfunktion mit einer Rechteckfunktion moduliert, dann ist, bei gleicher Genauigkeit, eine Transmissionsänderung von ±15% zulässig.If the layer thickness is modulated with a rectangular function instead of a sine function, then, at same accuracy, a change in transmission of ± 15% is permissible.

Neben dem Vorteil, daß die Extinktion der Probe direkt angezeigt und registriert werden kann, ergibt sich bei dem neuen Verfahren der wesentliche Vorteil, daß durch die Quotientenbildung äußere störende Einflüsse kompensiert werden, d. h., daß die Langzeitkonstanz des neuen Meßverfahrens ebenso groß ist wie die bekannter Zweistrahlverfahren.In addition to the advantage that the absorbance of the sample can be displayed and recorded directly, results The new method has the essential advantage that the formation of quotients results in external disruptive Influences are compensated, d. This means that the long-term constancy of the new measuring method is just as great is like the well-known two-beam process.

Die Schichtdickenmodulation der Probe läßt sich in verschiedener Weise durchführen. So kann man bei flüssigen oder gasförmigen Proben in die Küvette einen stetig oder stufenförmig verlaufenden Keil eintauchen lassen, der senkrecht zur Strahlungsrichtung periodisch bewegt wird. Man kann auch eine Balgenküvette verwenden, die mindestens ein in Strahlungsrichtung periodisch bewegbares Wandteil besitzt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, in die Küvette zur Strahlungszu- und -abführung zwei Lichtleiter eintauchen zu lassen, von denen mindestens einer imThe layer thickness modulation of the sample can be carried out in various ways. So you can In the case of liquid or gaseous samples, immerse a steady or stepped wedge in the cuvette let, which is periodically moved perpendicular to the direction of radiation. You can also use a bellows cuvette use which has at least one wall part periodically movable in the direction of radiation. Another possibility is to insert two light guides into the cuvette to supply and remove radiation to be immersed, at least one of which in the

ίο Sinne einer gegenseitigen Abstandsänderung periodisch bewegbar ist.ίο meaning a mutual change in distance periodically is movable.

Sowohl feste als auch flüssige und gasförmige Proben lassen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Bestimmung der Extinktion zu, wenn die Probe die Form eines stetig oder stufenförmig verlaufenden Keiles besitzt und die die Probe durchsetzte Strahlung durch optisch-mechanische Mittel, z. B. Schwenkspiegel oder Drehkeile, periodisch auf verschiedenen Wegen durch die Probe gelenkt wird.Both solid and liquid and gaseous samples can be according to the method according to the invention a determination of the absorbance too, if the sample has the shape of a steady or stepped gradient Wedge and the radiation penetrating the sample by opto-mechanical means, z. B. oscillating mirrors or rotating wedges, is periodically steered through the sample in different ways.

ao Durch weitere Schwenkspiegel bzw. Drehkeile oder durch ein Reflexionsprisma läßt sich die Ablenkung der Strahlung hinter der Probe wieder kompensieren.ao The deflection can be achieved by further oscillating mirrors or rotating wedges or by a reflection prism compensate for the radiation behind the sample.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand derThe invention is hereinafter based on the

Zeichnungen näher erläutert, wobei die Zeichnungen verschiedene Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Durchführung des neuen Verfahrens darstellen. Im einzelnen zeigtDrawings explained in more detail, the drawings showing various exemplary embodiments of devices to carry out the new procedure. In detail shows

Fig. 1 ein Blockschema eines Ausführungsbeispiels, Fig. 1 is a block diagram of an embodiment,

F i g. 2 eine Vorrichtung zur periodischen Modulation des Lichtweges in einer Küvette,F i g. 2 a device for periodic modulation of the light path in a cuvette,

F i g. 3 a und 3 b jeweils einen Schnitt entlang der Linie II-II für zwei verschiedene Ausführungen von Schwenkkeilen,F i g. 3 a and 3 b each show a section along the line II-II for two different versions of Swivel wedges,

F i g. 4 eine Balgenküvette mit einem periodisch bewegbaren Wandteil.F i g. 4 a bellows cuvette with a periodically movable wall part.

In F i g. 1 ist mit 1 eine Lichtquelle bezeichnet, die über eine Linse 2 den Eintrittsspalt eines Monochromator 3 beleuchtet. Das vom Austrittsspalt des Monochromators ausgehende monochromatische Licht wird über Linsen 4 und 5 durch die Balgenküvette 6 geleitet, deren Wandteil 7 periodisch bewegbar ist. In der noch näher beschriebenen Balgenküvette, welche die zu messende Probe enthält, wird durch die Bewegung des Wandteiles 7 die Schichtdicke mit der Frequenz ω periodisch moduliert. Das durch die Probe tretende Licht gelangt über die Linse 5 auf den photoelektrischen Empfänger 8.In Fig. 1, 1 denotes a light source which, via a lens 2, enters the entrance slit of a monochromator 3 illuminated. The monochromatic light emanating from the exit slit of the monochromator becomes guided via lenses 4 and 5 through the bellows cuvette 6, the wall part 7 of which is periodically movable. In the bellows cuvette, which will be described in more detail and which contains the sample to be measured, is activated by the movement of the wall part 7 periodically modulates the layer thickness with the frequency ω. That through the rehearsal emerging light reaches the photoelectric receiver 8 via the lens 5.

Das vom Empfänger 8 gelieferte elektrische Signal wird mittels des Kondensators 9 in einen Gleichstrom- und einen Wechselstromanteil der Frequenz ω zerlegt, die getrennt in dem Gleichstromverstärker 10 und dem Wechselstromverstärker 11 verstärkt werden. Sowohl das Gleichstromsignal als auch das Wechselstromsignal werden dem Quotientenrechner 12 zugeführt, der ein Ausgangssignal liefert, das dem Verhältnis des Wechselstromsignals zum Gleichstromsignal entspricht. Das angeschlossene Meßinstrument 13 zeigt dann einen der Extinktion der Probe proportionalen Meßwert an.The electrical signal supplied by the receiver 8 is broken down by means of the capacitor 9 into a direct current and an alternating current component of the frequency ω , which are amplified separately in the direct current amplifier 10 and the alternating current amplifier 11. Both the direct current signal and the alternating current signal are fed to the quotient calculator 12, which supplies an output signal which corresponds to the ratio of the alternating current signal to the direct current signal. The connected measuring instrument 13 then displays a measured value proportional to the absorbance of the sample.

Die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung zeigt eine Piezokeramik 14, 15, die durch Zufügung einer Wechselspannung zu den Anschlüssen 16 und 17 zu Biegeschwingungen angeregt wird. Diese Schwingungen übertragen sich auf die Blattfeder 31, die an ihrem Ende eine strahlungsdurchlässige Keilplatte 18 trägt. Die Keilplatte taucht in die Küvette 19 mit der Probenflüssigkeit 20 ein und wird an der Stelle 21The in F i g. 2 shown device shows a piezoceramic 14, 15, which by adding a AC voltage to the terminals 16 and 17 is excited to flexural vibrations. These vibrations are transferred to the leaf spring 31, which has a radiation-permeable wedge plate 18 at its end wearing. The wedge plate is immersed in the cuvette 19 with the sample liquid 20 and is at the point 21

vom Meßstrahl durchsetzt. Die beiden Teilfiguren 3 a und 3 b zeigen in Draufsicht die Keilplatte 18 einmal in stetiger Ausführung 18 a und das andere Mal in stufenförmiger Ausführung 18 b. In beiden Fällen wird durch die Schwingung der Keilplatte in Pfeilrichtung eine Modulation der.Schichtdicke der Probe erreicht.penetrated by the measuring beam. The two sub-figures 3 a and 3 b show a plan view of the wedge plate 18 once in a continuous design 18 a and the other time in a stepped design 18 b. In both cases, the vibration of the wedge plate in the direction of the arrow modulates the layer thickness of the sample.

Die konstruktive Ausführung einer Balgenküvette ist in F i g. 4 schematisch dargestellt. Die Zeichnung zeigt die Küvettenfenster 22, die in den durch den Balgen 23 aus elastischem Material miteinander verbundenen Rahmenhälften 24 eingebettet sind. Der rechte Rahmen ist über Blattfedern 25,26 mit der Grundplatte 27 verankert und wird durch den Exzenterantrieb 28,29 hin- und herbewegt. Durch die periodische Bewegung des rechten Küvettenfensters wird die Schichtdickenmodulation einer in der Küvette befindlichen Probenflüssigkeit 30 bewirkt.The structural design of a bellows cuvette is shown in FIG. 4 shown schematically. The drawing shows the cuvette window 22, which is in the through the Bellows 23 made of elastic material interconnected frame halves 24 are embedded. Of the The right frame is anchored to the base plate 27 via leaf springs 25, 26 and is driven by the eccentric drive 28.29 moved back and forth. Through the periodic movement of the right cuvette window the layer thickness modulation of a sample liquid 30 located in the cuvette is effected.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (7)

1 2 fenden Wellenlänge nach der Formel Patentansprüche: ... „ , 100 E = log ■1 2 fenden wavelength according to the formula claims: ... ", 100 E = log ■ 1. Verfahren zur photometrischen Bestimmung T
der Extinktion einer Probe mit einem photoelek- 51. Method for photometric determination T
the absorbance of a sample with a photoelectronic 5 trischen Meßgerät, bei dem die Meßstrahlung nur berechnet. Dieses Verfahren ist verhältnismäßigtric measuring device in which the measuring radiation is only calculated. This procedure is proportionate auf dem Weg durch die Meßzelle auf den photo- umständlich, weil ein besonderer Rechengang erfor-on the way through the measuring cell to the photo- cumbersome because a special calculation process is required elektrischen Empfänger fällt, dadurch ge- derlich ist und der Spektralverlauf der Extinktionelectrical receiver drops, which makes it funny and the spectral course of the extinction kennzeichnet, daß die Weglänge der die erst nach Eintragung der Werte in ein Kurvenblattindicates that the path length of the only after the values have been entered in a curve sheet Probe durchsetzenden Strahlung periodisch mit io erkennbar wird.Radiation penetrating the sample is periodically recognizable with io. der Frequenz ω um .einen kleinen Betrag ge- Man hat daher nach Methoden gesucht, die Ausändert wird, daß der · Wechselstromanteil der Wertung entsprechend oben angegebener Formel auf Frequenz ω des resultierenden Meßsignals und maschinellem Wege vorzunehmen. In besonders sein Gleichstromanteil abgetrennt werden und eleganter Weise erledigen diese Aufgaben die daß der Quotient aus diesen abgetrennten Signal- 15 sogenannten Transmissions-Konzentrationsrechner, anteüengebildet'u'nd angezeigt wird. ' welche die Umrechnung auf elektronischem WegeThe frequency ω has been reduced by a small amount. One has therefore looked for methods which are modified so that the alternating current component of the evaluation is carried out according to the formula given above on the frequency ω of the resulting measurement signal and by machine. In particular, its direct current component is separated off and these tasks are carried out in an elegant manner, so that the quotient of these separated signal-so-called transmission concentration calculators is partially formed and displayed. 'which do the conversion electronically 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- vornehmen und deren Meßresultat auch auf einem kennzeichnet, daß die Division des Wechsel- Schreiber als Kurve aufgezeichnet werden kann. Stromsignals durch» das Gleichstromsignal auto- Diese Methode hat aber den Nachteil, daß ein vermatisch in einem an sich bekannten Quotienten- 20 hältnismäßig hoher elektronischer Aufwand erforderrechner (12) erfolgt. lieh ist.2. The method according to claim 1, thereby undertake and their measurement result also on one indicates that the division of the recorder can be recorded as a curve. Current signal through »the direct current signal auto- This method has the disadvantage that a vermatic in a per se known quotient - 20 relatively high electronic expenditure required computer (12) takes place. is borrowed. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren zur kennzeichnet, daß die Änderung der Weglänge Bestimmung der Extinktion besteht darin, daß in der die Probe durchsetzten Strahlung durch jedem Fall eine Vergleichsmessung erforderlich ist, periodische Änderung der Schichtdicke der Probe 25 die den 100%-Punkt der Transmissionsskala festlegt, bewirkt wird. Bei der sogenannten Einstrahlmethode wird zunächst3. The method according to claim 1, characterized in that a further disadvantage of the known method for indicates that the change in the path length determination of the absorbance consists in that in the radiation penetrating the sample requires a comparative measurement in each case, periodic change in the layer thickness of sample 25 which defines the 100% point of the transmission scale, is effected. In the so-called single-jet method, first 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- eine Küvette mit Blindlösung in den Strahlengang kennzeichnet, daß sich in einer flüssigen oder gebracht und dabei der 100%-Punkt eingestellt. Nach gasförmigen Probe ein stetig oder stufenförmig Entfernen dieser Küvette wird die eigentliche Meßausgebildeter strahlungsdurchlässiger Keil (18 α 3 ο küvette in den Strahlengang gebracht und die Transbzw. 18 b) befindet, der senkrecht zur Strahl- mission direkt gemessen. Der 100 °/o-Punkt muß öfter 4. Apparatus according to claim 3, characterized in that a cuvette with blank solution in the beam path indicates that it is in a liquid or brought and thereby the 100% point is set. After the gaseous sample is removed continuously or stepwise from this cuvette, the actual measurement-formed radiation-permeable wedge (18 α 3 ο cuvette is placed in the beam path and the trans or 18 b) is located, which is directly measured perpendicular to the beam emission. The 100 ° / o point must be more frequent richtung_periodisch bewegt wird. kontrolliert werden, d. h., die Meßküvette ist danndirection_periodically is moved. controlled, d. that is, the measuring cuvette is then 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- durch die Küvette mit Blindlösung zu ersetzen. Dieses ·_-kennzeichnet, .däB.":'sich^eine; flüssige oder gas- Verfahren ist umständlich und kann Fehler verur-5. The device according to claim 3, thereby replacing the cuvette with blank solution. This · _-Indicates, .däB. ": 'Itself ^ a; liquid or gas process is cumbersome and can cause errors. förmige Probe in einer Balgenküvette (6) be- 35 Sachen, wenn die beiden Küvetten nicht genau auffindet, die mindestens ein in Strahlungsrichtung einander abgestimmt sind und wenn während der periodisch bewegbares strahlungsdurchlässiges eigentlichen Messung Schwankungen in der Inten-Wandteil (7) aufweist. sität der Lichtquelle auftreten.35 items in a bellows cuvette (6), if the two cuvettes cannot be found exactly, the at least one in the radiation direction are matched to each other and if during the periodically movable radiolucent actual measurement fluctuations in the inten wall part (7). sity of the light source. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- Um diesen Mangel zu beheben, kann man nach kennzeichnet, daß in eine flüssige oder gasförmige 40 einem bekannten, Vorschlag so vorgehen, daß nur Probe zwei Lichtleiter eintauchen, von denen eine Küvette verwendet wird, in die ein lichtdurchmindestens der eine im Sinne einer gegenseitigen ■ lässiger Körper eintaucht, der in einer ersten Stellung Abstandsänderung periodisch bewegbar ist. die Meßmöglichkeit möglichst vollständig aus dem6. The device according to claim 3, characterized in order to remedy this deficiency, one can after indicates that in a liquid or gaseous 40 a known, proposal to proceed that only Immerse the sample in two light guides, one of which is used in a cuvette and one in which at least one of the light conductors is used the one immersed in the sense of a mutual ■ casual body, the one in a first position Change in distance is periodically movable. the measurement possibility as completely as possible from the 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- Meßstrahlengang verdrängt und der in einer zweiten durch gekennzeichnet, daß die Probe oder eine 45 Stellung eine bestimmte Schichtdicke der Meßlösung Küvette, in der sich die Probe befindet, die Form für den Durchtritt der Meßstrahlung freigibt. In der eines stetig oder stufenförmig verlaufenden Keils ersten Stellung des Eintauchkörpers wird der 100%-hat und daß die die Probe durchsetzende Strah- Punkt des Meßinstrumentes eingestellt. Wird nun der lung durch optisch-mechanische Mittel so ab- Eintauchkörper in seine zweite Stellung bewegt, so gelenkt wird, daß· der S&ahlungsweg innerhalb 50. ist die sich ergebende Anzeige des Meßinstrumentes der Probe periodisch verändert wird. der gesuchten Transmission der Probe proportional.7. Apparatus according to claim 1 or 2, because the measuring beam path is displaced and that in a second characterized in that the sample or a 45 position has a certain layer thickness of the measurement solution Cell in which the sample is located, which releases the shape for the measurement radiation to pass through. In the a steady or stepped wedge first position of the immersion body is 100% -hat and that the beam point of the measuring instrument penetrating the sample is set. Will now be the treatment by opto-mechanical means so from immersion body moved into its second position, so it is steered that · the path of resolution is within 50. the resulting display of the measuring instrument the sample is changed periodically. proportional to the desired transmission of the sample. Beiden Meßverfahren ist gemeinsam, daß die Ex-Both measurement methods have in common that the Ex- _ _ tinktion gesondert berechnet werden muß und daß_ _ tinction must be calculated separately and that die Messung z. B. durch Schwankungen der Larnpen-the measurement z. B. by fluctuations in the Larnpen- :;:.::.;':;.: ::.■·■·. : ' 55 intensität verfälscht werden kann.:;:. ::.; ':;.: ::. ■ · ■ ·. : '55 intensity can be falsified. Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein VerfahrenIt is the object of the invention to provide a method Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine rar photometrischen Bestimmung der Extinktion einerThe invention relates to a method and a rar photometric determination of the extinction of a Vorrichtung zur photometrischen Bestimmung der Probe zu schaffen, das ohne großen Aufwand dieTo create a device for the photometric determination of the sample, which the Extinktion einer Probe mit einem photoelektrischen unmittelbare Messung der Extinktion ermöglicht undAbsorbance of a sample with a photoelectric allows direct measurement of the absorbance and Meßgerät, bei dem die Meßstrahlung nur auf dem 60 bei dem die Meßwerte unabhängig von äußeren Ein-Measuring device in which the measuring radiation is only measured on the 60 in which the measured values are independent of external influences Weg durch die Meßzelle auf den photoelektrischen flüssen, beispielsweise Schwankungen der Lichtinten-Path through the measuring cell on the photoelectric flows, for example fluctuations in the light intensity Empfanger fällt. sität, sind.Receiver falls. sity, are. Zur Ermittlung der Extinktion einer Probe geht Das Verfahren nach der Erfindung arbeitet mitThe method according to the invention works with to determine the extinction of a sample man gewöhnlich so vor, daß die Probe mit mono- einem Meßgerät, bei dem die Meßstrahlung nur aufone usually so before that the sample with mono- a measuring device, in which the measuring radiation only on chromatischem Licht verschiedener Wellenlängen 65 dem Wege durch die Meßzelle auf den photoelektri-chromatic light of different wavelengths 65 the way through the measuring cell to the photoelectric bestrahlt und mit einem photoelektrischen Meßgerät sehen Empfänger fällt. Es zeichnet sich dadurch aus,irradiated and with a photoelectric measuring device see receiver falls. It is characterized by die Transmission T der Probe in Prozent gemessen daß die Weglänge der die Probe durchsetzendenthe transmission T of the sample measured in percent that the path length of the penetrating the sample wird. Sodann wird die Extinktion E bei der betref- Strahlung periodisch mit der Frequenz ω um einenwill. Then the extinction E for the radiation concerned is periodically with the frequency ω by one
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